3 O Canal Rádio Móvel

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1 31 3 O Canal Rádio Móvel O canal de adiopopagação, pela sua natueza aleatóia e dependente da faixa de feqüências utilizada, não é de fácil modelagem, exigindo estudos teóicos e dados estatísticos paa sua caacteização. Paa esta caacteização devem se consideados os mecanismos de popagação, que espondem pelo valo mediano do sinal ecebido a uma deteminada distância do tansmisso, e os efeitos de popagação, esponsáveis pelas vaiações aleatóias do nível de sinal em elação a este valo mediano. Os mecanismos de popagação pedominantes na faixa de feqüência usada paa sistemas celulaes são visibilidade, eflexão e difação []. O efeito de popagação mais impotante é o multipecuso, pois o sinal esultante ecebido é devido à composição de inúmeas vesões do sinal oiginal tansmitido, que pecoem difeentes pecusos deteminados, em gande pate, pelas eflexões e difações múltiplas que sofem até chega ao ecepto. Outo efeito de popagação é o que se manifesta atavés da flutuação do nível de sinal com a distância devido ao bloqueio devido a obstuções geadas pelo elevo ou ciadas pelo homem. Esse efeito é conhecido po sombeamento. As flutuações que eduzem o nível do sinal ecebido abaixo do seu valo mediano paa uma deteminada distância do tansmisso são o que se denomina desvanecimentos e podem se de pequena escala, usualmente chamados desvanecimentos ápidos, ou de laga escala, usualmente chamados desvanecimentos lentos). O coeto entendimento dos mecanismos e efeitos de popagação é básico paa a estimativa do desempenho do sistema e cálculo de cobetua das células.

2 Efeitos de Sombeamento e Multipecuso Em sistemas de comunicações móveis celulaes, a faixa de feqüências empegada, o ambiente onde as comunicações ocoem e a mobilidade da unidade do usuáio fazem que o sinal esultante no ecepto seja futo da composição de ondas eletomagnéticas que pecoem divesos pecusos distintos ente tansmisso e ecepto, atavés de difeentes mecanismos de popagação []. No que se efee à feqüência, as faixas de UHF alocadas paa sistemas móveis celulaes são favoáveis à popagação do sinal tansmitido atavés de mecanismos de eflexão, difação, espalhamento e visada dieta. Quanto aos ambientes onde as comunicações se ealizam, nas áeas mais povoadas, pincipalmente nas gandes áeas ubanas, edifícios epesentam obstáculos nos quais a onda popagante pode efleti-se ou difata-se, confome indicado na figua (3.1) abaixo. Figua Cenáio de Multipecuso Como a unidade móvel está, em geal, imesa nas obstuções, ela ecebe aios atavés dos mecanismos de eflexão e difação, fotemente condicionados pelo ambiente, e apenas eventualmente aios dietos na condição de visibilidade. A mobilidade do teminal do usuáio faz com que, a cada instante, o móvel esteja ecebendo uma difeente combinação de ondas popagantes. As flutuações ápidas estão associadas aos deslocamentos de cuta distância do móvel, que povocam gandes vaiações de fase dos sinais intefeentes de multipecuso [].

3 33 Os váios aios efletidos no ambiente ubano são os esponsáveis po estas flutuações ápidas. No ecepto, os campos associados aos difeentes pecusos somam-se vetoialmente. As quedas do nível de sinal ecebido devidas ao multipecuso é conhecida po desvanecimento em pequena escala. Espacialmente, desvanecimentos ápidos ou de pequena escala ocoem ente distâncias em tono de meio compimento de onda. O desvanecimento em pequena escala pode se compeendido tanto espacialmente, pelo deslocamento do teminal do usuáio, como tempoalmente, analisando-se o tempo ente desvanecimentos sucessivos em uma estação em movimento ou mesmo em epouso, quando ocoe movimento de espalhadoes em tono da mesma. Como cada pecuso do sinal sujeito a multipecuso possui um compimento difeente, o sinal ecebido é composto po um conjunto de sinais com etados mútuos elativos, sofendo um espalhamento no tempo. Em sistemas digitais, este efeito povoca intefeência ente símbolos, limitando a taxa máxima de símbolos que podem se utilizados no canal. A distibuição de Rayleigh é apopiada paa os casos em que as estações móveis ecebem apenas componentes atavés de multipecuso, de foma que não há nenhuma componente (um aio dieto em geal) cuja amplitude se destaque quando compaada à amplitude das outas. Paa as situações em que o móvel ecebe, além das componentes de multipecuso, um aio dieto (de nível muito supeio às componentes de multipecuso), a distibuição de Rayleigh não mais desceve adequadamente o envelope do sinal ecebido. Neste caso, a distibuição de Rice é usada. Sendo sua fdp definida po: + s s p () = exp I 0 σ σ σ onde: I (.) = função de Bessel modificada de pimeia espécie 0 s = paâmento elativo à amplitude da componente dominante σ = elativo ao desvio padão das componentes do sinal (3.1) Também foi definido po Rice um fato que elaciona a potência da componente dominante com a potência das componentes de multipecuso. O fato, denominado fato de Rice, é dado po:

4 34 k = 10 log [ db] (3.) σ A figua (3.) abaixo mosta como, vaiando K, é possível se ecai nas distibuições de Rayleigh e Nomal. Figua 3. - Distibuições de Rayleigh, Gaussiana e Nomal Pode-se obseva que, paa pequenos valoes de K, a distibuição de Rice tende paa Rayleigh. Esse esultado é espeado, pois valoes pequenos de K indicam que a contibuição de potência da componente mais fote não é significativa. Potanto, não há uma componente dominante e a distibuição é de Rayleigh. Po outo lado, se K é muito gande, a distibuição tende se Nomal. Pode-se compeende esse compotamento, obsevando que, paa K muito gande, há pedomínio da componente dieta (ou alguma outa componente, desde que seja muito supeio às outas), de foma que o multipecuso tenha influência despezível. O sinal apesentaá menos oscilações, estando sujeito apenas ao efeito das obstuções, causadoas de sombeamento. A distibuição de Rice pode se vista como uma distibuição abangente que, paa extemos dos valoes de K, degenea-se ou em uma distibuição de Rayleigh ou em uma distibuição Nomal.

5 Popagação em Regiões Ubanas Como discutido acima, na maioia dos casos de inteesse pático, o teeno sobe o qual se dá a popagação apesenta topogafia vaiada, vegetação e constuções distibuídas de foma aleatóia. Emboa o cálculo da peda de popagação possa se ealizado, ainda que com pecisão limitada, utilizando métodos numéicos (como taçado de aios) ou soluções paa apoximações da equação de onda (como a equação paabólica), os métodos mais utilizados paa cálculo de cobetua são empíicos ou semi-empíicos. Este métodos fonecem o valo mediano da peda de popagação em função de paâmetos como a altua das antenas, feqüência de opeação, distância ente tansmisso e ecepto, caacteísticas do elevo e gau de ubanização. Alguns métodos semi-empíicos consideam uma descição mais detalhada do ambiente ubano incluindo lagua de uas, sua oientação elativa ao enlace ente tansmisso e ecepto e altua média dos pédios Modelos de Pedição Empíicos Os modelos empíicos são obtidos a pati de campanhas de medidas em uma ou mais egiões, modelamento dos esultados obtidos e apesentação do esultado final (modelo) atavés de ábacos ou expessões que fonecem o valo mediano da atenuação. Modelos dessa categoia, em especial os modelos dados po uma expessão final analítica, apesentam a vantagem de seem, em geal, de fácil aplicação e implementação computacional. Po outo lado, sendo baseados em medições ealizadas em locais específicos, modelos empíicos tendem a não fonece esultados muito confiáveis quando aplicados a egiões que difiam significamente da egião oiginal das medidas. A pecisão destes modelos pode, deve se efinada, atavés de ajuste de seus paâmetos com base em medidas nas egiões em que seão aplicados.

6 Modelo de Hata (Okumua Hata) O modelo de Hata é uma fomulação empíica do modelo gáfico de Okumua. A atenuação em áeas ubanas pode se calculada po []: L = log f 13.8 log h a( h ) + ( log h) logd (3.4) ubana t t onde: L = atenuação em db f = feqüência em MHz 150 f 1500 MHz d = distância em km 1 km d 0 km ht = altua do tansmisso em metos 30 m ht 00 m a(h) = fato de coeção em db h = altua do ecepto em metos 1 m ht 10 m fato de coeção paa (3.) cidades pequenas e médias : ah ( ) = (1.1log f 0.7) h (1.56 log f 0.8) (3.5) fato de coeção paa cidades gandes : ah ( ) = 8.9(log1.54 h) 1.1 paa f 300MHz ah ( ) = 3.(log11.75 h) 4.97 paa f 300MHz (3.6) Paa obte a peda de popagação em áeas sububanas e uais a equação paa áea ubana pode sofe modificações: L sububana f = Lubana log (3.7)

7 37 L L f f ual = ubana 4.78(log ) log (3.8) Modelo estendido de Hata paa PCS (COST-31): Este modelo é a extensão do modelo de Hata paa a faixa de PCS (Pesonal Communication System), desenvolvido pelo pogama COST, de colaboação da comunidade euopéia nas áeas de ciência e tecnologia. A atenuação pode se calculada po []: L= log f 13.8 log h a( h ) + ( log h) log d + C (3.9) t t M onde: L = atenuação em db f = feqüência em MHz 1500 f 000 MHz d = distância em km 1 km d 0 km ht = altua do tansmisso em metos 30 m ht 00 m a (h) = fato de coeção em db CM = fato de coeção h = altua do ecepto em metos 1 m ht 10 m fato de coeção paa cidades pequenas e médias: ah ( ) = (1.1log f 0.7) h (1.56 log f 0.8) (3.10) fato de coeção paa cidades gandes: ah ( ) = 8.9(log1.54 h) 1.1 paa f 300MHz ah ( ) = 3.(log11.75 h) 4.97 paa f 300MHz (3.11) CM = 0 db paa cidades de tamanho médio e áeas sububanas CM = 3 db paa centos metopolitanos

8 Modelo de Walfish Ikegami (COST 31) Este modelo estatístico é aplicável tanto em células gandes quanto em micocélulas, em teenos planos e ubanos. Esse modelo gea uma boa pedição paa peda em egiões com alta densidade de pédios, como gandes e médias cidades. É um modelo baseado em impotantes paâmetos ubanos como densidade de pédios, altua média dos pédios e lagua das uas. Além de considea a influência da ua onde o móvel está localizado, o modelo de Walfish - Ikegami inclui a contibuição da peda devido ao fato de o sinal tansmitido passa po divesos pédios até chega ao móvel (difação po múltiplos obstáculos) []. Figua Paâmetos paa Modelo de Walfish Ikegami Onde: h h h b m = altua da antena da estação base acima do solo (m) = altua da = altua w = lagua da ua onde o móvel está localizado (m) b = distância d = distância antena do móvel acima do solo (m) média dos pédios (m) ( h > h ente os centos dos pédios (m) ente a base e o móvel (Km) m )

9 39 Figua Paâmetos do Modelo pate ϕ: angulo ente a onda incidente no móvel e o eixo cental da ua onde o móvel está localizado; h = h b b - h : altua da antena acima da altua média dos pédios (m); h = h - h m : altua média dos pédios acima da altua da antena do móvel (m). A expessão geal paa este modelo de popagação é: Lb = L fs + Lst + Lmsd (3.1) L fs é a peda em espaço live, dada po: L = log f( MHz) + 0 log d( Km) (3.13) fs L ts é a peda po difação ente o topo dos pédios e a ua onde o móvel está localizado. Essa peda tem a seguinte expessão: L = log w+ 10 log f + 0 log( h ) + L (3.14) ts oi Se L ts < 0 db, o valo L ts = 0 db seá usado. L oi = considea a oientação elativa ente o tansmisso e a ua onde o móvel se enconta.

10 40 L oi ϕ 0 < ϕ < 35º = ( ϕ 35º ) 35º ϕ < 55º ( ϕ 55º ) 55º ϕ 90º (3.15) L mds = é a estimativa da peda po difação em múltiplos obstáculos ente a estação base e o móvel. L = L + K + K log( d) + K log( f) 9log( b) (3.16) mds bsh a d f Os paâmetos da expessão (3.15) são assim calculados: L = 18log (1 + h ), se h 0, L = 0 (3.17) bsh b b bsh Ka epesenta o aumento da peda quando a estação móvel está abaixo dos pédios adjacentes. 54 hb 0 Ka = hb hb < 0 e d 0.5 (3.18) hb( d / 0.5) hb < 0 e d < 0.5 Kd contola a dependência ente a peda po difação em múltiplos obstáculos e a distância. K d 18 hb 0 = (3.19) hb / h hb < 0 Kf contola a dependência ente a peda po difação em múltiplos obstáculos e a feqüência. K f f paa cidades com tamanho médio e áea sububanas, = com modeada densidade de vegetação f paa gandes metopoles (3.0)

11 41 O modelo pode se aplicado dento das seguintes condições: feqüência ente 800 e 000 MHz altua da estação base ente 4 e 50 metos altua da estação do móvel ente 1 e 3 metos distância ente a estação base e o móvel ente 0.0 e 5 Km Se o ambiente ubano é desconhecido, os seguintes paâmetos deveão se utilizados: b = 0-50 m; w : b / ; ϕ: 90º; h : 3m X númeo de andaes + altua do telhado (m) O modelo analisado é consideado eficiente, pois possui duas configuações difeentes, uma paa espaço live e outa não espaço live. Possui uma desvantagem, pois necessita de um banco de dados muito gande. A estimativa deste modelo está de acodo com as medidas obtidas paa a situação onde a estação base possui altua maio que a dos pédios. O eo médio fica muito gande quando a altua da estação base se apoxima da altua dos pédios Além disso, o desempenho do modelo é uim paa situações em que a altua da estação base é meno do que a altua dos pédios. O modelo não considea peda po multipecuso e a estimativa da peda pioa quando o teeno não é plano nem homogêneo Modelos paa mico-células De maneia geal, estes podem se expessos da seguinte foma []: [ ] ` L a blog f clog d elog d db = (3.3)

12 4 onde: a constante [db] deteminada empiicamente ou a pati de modelos canônicos b fato de atenuação com a feqüência (elativo ao expoente de peda com a feqüência) c fato necessáio quando o modelo utiliza uma distância de efeência (d`/d 0 ), e/ou quando o modelo utiliza mais de um valo paa e e fato de atenuação com a distância (elativo ao expoente de peda com a distância) f feqüência da potadoa [MHz] d - distância ente tansmisso (T x ) e ecepto (R x ) [m] d`- distância de efeência (d 0 ) ou distância de ponto de queba, confome descito na apesentação do fato c [m]